基于用户的CAPP零件编码系统的研究

　　目前，在某些领域已经实现了CAD/CAPP的高度集成。在集成环境中，CAPP与CAD系统共享一个统一的零件信息模型，有效的零件编码可以避免在工艺设计时对零件加工信息进行二次输入。面向用户是指不同CAPP系统能根据用户要求适实地对多品种零件进行编码，从过去的面向某一类零件的CAPP中摆脱出来。已经开发的CAPP系统大都适用于某种零件的专用系统，且主要集中在回转体零件和箱体零件的CAPP，结果是集成化程度越高应用范围越小。这其中的原因是多方面的，这里仅列举两例：①CAD/CAPP集成的基础是在产品生命周期内建立一个统一的零件特征模型，模型的建立依赖于一个复杂的特征库。这个特征库不可能包含所有的特征，在这种情况下，要提高CAD/CAPP集成系统的通用化程度，只能尽量扩充特征库，这必导致特征库十分庞大(对这样一个特征库中信息的读取和编码自然也是一个十分复杂的过程)，而且会提高操作的复杂性降低系统的工作效率。②这还涉及到计算机识图的问题：工艺的生成有赖于零件图特征信息的识别，如何保证零件的特征信息既为CAD所拥有又能为CAPP所识别，这已成为实现CAD/CAPP集成的关键技术。开发面向用户适于多品种零件的CAPP系统已成为工艺设计标准化和生产管理标准化的迫切需求。开发这样一个CAPP系统就是想为那些不生产固定产品的小企业提供一个方便的工艺设计工具，因为这些小企业没有固定产品，无法开发一个适用的、集成化的CAD/CAPP系统。于是在开发这个CAPP 系统时建立一个合适的零件编码系统，将有助于辅助完成加工面信息的输入。

    1　零件编码系统的信息要求

　　产品的特征模型对产品的描述是最准确的，产品的特征模型包含了产品的所有的信息：零件的总体信息，加工面的特征信息，非加工面的特征信息。
　　工艺规程设计所需信息主要是：零件总体信息的一部分，零件加工面的信息。
　　零件信息的编码可以分为两类，一类是对CAD零件图上零件信息编码，另一类是人机交互式零件编码，但它们都有赖于一个产品的特征模型的建立。建立产品特征模型需要一个内容丰富的特征库，所以要建立适用于多种产品的CAD系统需要较长的开发周期。
　　零件的工艺设计只需要零件产品模型中的部分信息，主要是加工面的信息。实际上只要建立一个由“加工面特征信息+零件的部分总体信息+非加工面的简化信息”构成的模型，即可满足工艺设计的需要，我们称之为“工艺模型”，显然开发一个建立“工艺模型”的CAD系统相对简单的多，系统的特征库的层次简单，特征的通用性较强，零件编码大为简化，便于系统的开发，也便于工艺人员操作。
　　在面向多种零件CAPP系统中，可以迅速建立一个零件“工艺模型”，使工艺规程设计系统可以从中读取信息进行工艺规划。可以说，产品设计CAD系统与CAPP系统共享信息适用于专业化的大批量生产，那么建立了“工艺模型”信息系统的CAPP工艺规程设计系统适用于多品种小批量生产。
　　在规划特征库时加工面几何形状便于分类，通用性强(因为大多数的加工零件上的加工而都能在标准机床或数控机床上使用标准刀具加工成型)，但是非加工面几何形状很难用特征来描述，而且特征不便于分类，应用范围也非常有限，不利于编码的实现。工艺人员设计工艺时可以首先调用特征库以交互方式输入零件的总体信息和加工面的特征信息，再定义一些非加工面的简化的轮廓特征，建立“工艺模型”，存入特征信息库，特征信息库分为两类：一类是加工面特征库，用于定义加工面的形状特征、精度特征、材料特征等特征信息；另一类是非加工面的几何形状(或轮廓)，非加工面的轮廓是采用直线和弧线来近似表达的，输入非加工面轮廓是通过连续定义一系列的线段和弧线的位置参数和形状参数完成的，这类特征信息是比较简单的。图1是零件“工艺模型”的总体结构；整个模型采用了多个子模型相互引用的方式，将零件的形状信息和加工要求信息完整而有机地结合起来。形成零件编码系统的基础。

图1　零件“工艺模型”的总体结构

    2　面向多种零件的CAPP系统中零件编码的实现

　　建立“工艺模型”描述零件信息及其相互关系多用链表结构和树结构表示。零件的形状是由形状特征描述的，根据形状特征及其相互联结关系和从属关系，可构造零件的形状特征关系图--多叉树结构。将这种多叉树结构转化为二叉树结构可以很好地表达形状之间的关系，再加上零件的总体信息和轴相尺寸链，就可以形成“工艺模型”中零件编码系统的总体结构。
　　下面以一个轴类零件为例说明零件编码系统的建造过程。
　　规定：主特征的标识ID＝01～99；辅助特征标识DD＝XX01～XX99，其中XX为主特征标识ID 值。形状特征的描述按照先外后内的顺序，外部形状特征则按照从左到右的顺序描述，内部形状特征按照从右到左的顺序描述。
　　如图1所示，其主特征表示标识符ID值从01～04，其上辅助特征依次描述。这样零件的编码可以表述为图2。在这样一个轴类零件编码系统中，一个台阶赋予一个主特征值ID＝01 ～99，对每一个台阶上的辅助特征再逐个按照上述顺序依次进行编码ID＝XX01～XX9 9。编码可以在“工艺模型”CAD系统中实现也可以人机交互实现。再根据它们之间的关系及其从属关系可以将图3所示多叉树转化为图4所示的二叉树构。

图2　零件编码示意图

图3　零件编码的多叉树表示

图4 零件编码的二叉树表示

　　在二叉树转化过程中同一个主特征的辅助特征做为该主特征的孩子结点，并从左到右，依次降级为孙结点，如图4所示［0101］-［0102］-［0103］。而从左到右的主特征依次降低为右孩子结点，如图4所示［01］-［02］-［03］-［04］。
　　建立二叉树结构目的是为了寻找数据的方式，如图5定义的主特征数据结构。它揭示了主特征各个数据之间的相互关系，便于计算机表达。图中P表示指针类型、R表示引用关系，IS表示从属关系。(辅助特征数据结构可类似获得)。

    3　利用零件编码系统描述零件信息的多种方法

　　以下介绍在CAPP环境中进行零件编码的几种方法。虽然都是编码系统，但对零件信息的描述是不同的，比如成组编码法就适用于人体交互式信息表述，而计算机识图则适用于集成化程度较高的CAPP系统，具体区别如下所述。
　　(1)利用“工艺模型”提供的零件信息进行零件编码，“工艺模型”是一个简化的CAD系统，通过CAPP编码系统，一方面可以人机交互编码，另一方面可以从“工艺模型”信息系统的数据库中读取信息进行编码。“工艺模型”信息系统是在CAPP中开发的一个了系统，所以CAPP从中读取信息特别方便，不再需要中间接口。

图5　主特征数据结构

　　(2)运用成组编码汉和技术、体素描述法 。这种方法使用较早，它源于成组技术(GT，Group Technique)。在许多决策中，只需要简单扼要的信息，而不需要过分详细的全部信息。成组技术就是适应这种目的一种工作。
　　体素是零件上可以分解的最基本的三维几何体，如圆锥体、圆柱体、六面体、圆环体及球体等体素描述法把零件看成是由若干基本几何体按一定位置关系组合而。将几何体分为主要要素和辅助要素，各要素任意组合。对零件的各要素进行编码以使能正确地输入零件的尺寸、公差、表面粗糙度、热处理信息等。这种方法对回转体零件较为适用，零件信息表达也较为充分，但花费时间较长，编码繁琐。
　　(3)通过计算机识图来实现零件信息的与编码。这一方法是利用计算机扫描或是其它手段从工程图上采集数据用于零件的工艺设计，这种系统可以采集到比较完备的几何信息。在获取零件信息后，通过CAD内置的编辑器对这些信息进行编码供CAPP使用。因为工程图纸上只存在具体的零件几何图形和部分管理信息，因此对工艺特征描述不够。
　　(4)使用标准语言实现零件编码。这种方法是一种特殊编码方法，它不是通过数字或字母实现编码，而是采用标准语言对零件的几何信息和工艺信息进行描述和编码。它需要制定一套设备完备的标准化语言来表达零件的几何信息和工艺信息。对零件信息表达比较完善。